KR20230052283A - 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량 - Google Patents

모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량 Download PDF

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KR20230052283A
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파블로 엘로세귀
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엘지마그나 이파워트레인 주식회사
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Abstract

본 발명은 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 모터와, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터를 포함하고, 모터는, 6상 모터를 포함하고, 인버터는, 서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며, 각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함한다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량
본 발명은 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있는 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다.
전기를 동력으로 하는 전기 차량이나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있다.
한편, 모터 구동을 위해, 교류 전원으로 모터를 구동하는 모터 구동장치가 필요하다.
한편, 모터 구동장치는, 복수의 스위칭 소자를 구비하는 인버터 등을 구비한다.
한편, 인버터는, 모터가 다상 모터인 경우, 상의 개수에 따라, 스위칭 소자의 개수가 필요하게 된다.
예를 들어, 3상 모터인 경우, 인버터는 3상의 해당되는 3개의 레그와, 하나의 레그에 상측 스위칭 소자와 하측 스위칭 소자가 필요하므로, 총 6개의 스위칭 소자가 필요하다.
다른 예로, 6상 모터인 경우, 인버터는 6상의 해당되는 6개의 레그와, 하나의 레그에 상측 스위칭 소자와 하측 스위칭 소자가 필요하므로, 총 12개의 스위칭 소자가 필요하다.
이와 같이, 다상 모터의 상의 개수가 증가할수록, 스위칭 소자가 상당히 증가하게 되므로, 인버터의 크기가 증가되며, 각 상 마다 스위칭을 수행하여야 하므로, 스위칭 횟수가 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있는 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 모터와, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터를 포함하고, 모터는, 6상 모터를 포함하고, 인버터는, 서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며, 각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함한다.
한편, 인버터는, 제1 레그에 배치되는 제1 스위칭 소자, 제2 레그에 배치되는 제2 스위칭 소자, 제3 레그에 배치되는 제3 스위칭 소자, 제1 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제4 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제5 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제6 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제7 스위칭 소자, 제5 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제8 스위칭 소자, 제6 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제9 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 제2 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 제3 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드는, 모터의 제1 단자에 접속되며, 제4 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 제6 스위칭 소자와 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드는, 모터의 제2 단자에 접속될 수 있다.
한편, 모터는, 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제1 권선과, 제2 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제2 권선과, 제3 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제3 권선과, 제4 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제4 권선과, 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제5 권선과, 제6 스위칭 소자와 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제6 권선을 포함할 수 있다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 오프, 제4 스위칭 소자는 온, 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 로우 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨일 수 있다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 온, 제4 스위칭 소자는 오프, 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨일 수 있다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 온, 제4 스위칭 소자는 온, 제7 스위칭 소자는 오프인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 하이 레벨일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 입력 교류 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기와, 제1 비교기로부터의 제1 비교 신호와, 제2 비교기로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기와, 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기와, 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기를 포함할 수 있다.
한편, 인버터 제어부는, 제1 비교 신호를, 제1 스위칭 소자에 출력하며, 제1 반전기로부터의 출력 신호를 제4 스위칭 소자에 출력하며, 제2 반전기로부터의 출력 신호를 제7 스위칭 소자에 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 3상의 입력 전압을 6상의 전압으로 변환하는 6상 전압 변환기와, 6상의 전압에 기초하여 9 상의 스위칭 제어 신호를 출력하는 9상 스위칭 신호 출력부를 포함할 수 있다.
한편, 6상 전압 변환기는, 3상의 입력 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기를 포함하며, 9상 스위칭 신호 출력부는, 제1 비교기로부터의 제1 비교 신호와, 제2 비교기로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기와, 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기와, 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기를 포함할 수 있다.
한편, 9상 스위칭 신호 출력부는, 제1 비교 신호를, 제1 스위칭 소자 또는 제2 스위칭 소자 또는 제3 스위칭 소자에 출력하며, 제1 반전기로부터의 출력 신호를 제4 스위칭 소자 또는 제5 스위칭 소자 또는 제6 스위칭 소자에 출력하며, 제2 반전기로부터의 출력 신호를 제7 스위칭 소자 또는 제8 스위칭 소자 또는 제9 스위칭 소자에 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 27개의 패턴 신호에 기초하여, 인버터를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 모터와, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터를 포함하고, 모터는, 6상 모터를 포함하고, 인버터는, 서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며, 각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함한다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 인버터는, 제1 레그에 배치되는 제1 스위칭 소자, 제2 레그에 배치되는 제2 스위칭 소자, 제3 레그에 배치되는 제3 스위칭 소자, 제1 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제4 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제5 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제6 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제7 스위칭 소자, 제5 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제8 스위칭 소자, 제6 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제9 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 제2 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 제3 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드는, 모터의 제1 단자에 접속되며, 제4 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 제6 스위칭 소자와 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드는, 모터의 제2 단자에 접속될 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 모터는, 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제1 권선과, 제2 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제2 권선과, 제3 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제3 권선과, 제4 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제4 권선과, 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제5 권선과, 제6 스위칭 소자와 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드와, 모터의 중성점 사이에, 감기는 제6 권선을 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 오프, 제4 스위칭 소자는 온, 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 로우 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨일 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 온, 제4 스위칭 소자는 오프, 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨일 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 레그의 제1 스위칭 소자는 온, 제4 스위칭 소자는 온, 제7 스위칭 소자는 오프인 경우, 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 제4 권선의 제4 상전압은 하이 레벨일 수 있다. 이에 따라, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 입력 교류 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기와, 제1 비교기로부터의 제1 비교 신호와, 제2 비교기로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기와, 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기와, 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부는, 제1 비교 신호를, 제1 스위칭 소자에 출력하며, 제1 반전기로부터의 출력 신호를 제4 스위칭 소자에 출력하며, 제2 반전기로부터의 출력 신호를 제7 스위칭 소자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 3상의 입력 전압을 6상의 전압으로 변환하는 6상 전압 변환기와, 6상의 전압에 기초하여 9 상의 스위칭 제어 신호를 출력하는 9상 스위칭 신호 출력부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 6상 전압 변환기는, 3상의 입력 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기를 포함하며, 9상 스위칭 신호 출력부는, 제1 비교기로부터의 제1 비교 신호와, 제2 비교기로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기와, 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기와, 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 9상 스위칭 신호 출력부는, 제1 비교 신호를, 제1 스위칭 소자 또는 제2 스위칭 소자 또는 제3 스위칭 소자에 출력하며, 제1 반전기로부터의 출력 신호를 제4 스위칭 소자 또는 제5 스위칭 소자 또는 제6 스위칭 소자에 출력하며, 제2 반전기로부터의 출력 신호를 제7 스위칭 소자 또는 제8 스위칭 소자 또는 제9 스위칭 소자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 더 포함하고, 인버터 제어부는, 27개의 패턴 신호에 기초하여, 인버터를 제어할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 6은 본 발명과 관련된 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 8 내지 도 11c는 도 6 또는 도 7의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 검출하는 경사각 검출부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 검출부(190)는, 차체의 경사각을 검출하며, 검출된 경사각은 후술하는 전자 제어부(410)에 입력된다. 경사각 검출부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 검출부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(250)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다.
한편, 모터(250)가 삼상 모터인 경우, 변환되는 교류 전원은 삼상 교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상 출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
한편, 모터(250)가 6상 모터인 경우, 변환되는 교류 전원은 6상 교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 6상 출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 6상 교류전원을 공급할 수 있다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 다상 모터의 상의 개수에 따라, 해당하는 개수의 케이블이 구비될 수 있다. 또는 단일의 케이블 내에 복수의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류 전원을 인가받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 다상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 차량(100)이 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 차량(100)을 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 차량(100)은, 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치는, 예를 들어, 토크 지령치 또는 토크 지령치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다.
이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다.
한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식과, 이를 혼합하는 직병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예 따른 모터 구동 시스템(10)은, 차량(100)과, 서버(500)를 구비할 수 있다.
여기서, 서버(500)는, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 제조사가 운영하는 서버이거나, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 운전자의 이동 단말기 등에 대응할 수 있다.
한편, 차량(100)은, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 제어부(170), 모터 구동부(200)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
통신부(130)는, 주변 기기, 예를 들어, 서버(500)와, 유선 또는 무선으로 데이터를 교환하거나, 원격지의 서버 등과, 무선으로 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 4G 또는 5G 등의 이동 통신, 적외선(IR) 통신, RF 통신, 블루투스 통신, 지그비 통신, WiFi 통신 등을 수행할 수 있다.
한편, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 구동부(200) 등을 제어할 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 구동부로서, 모터 구동장치라 명명될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출하는 출력 전류 검출부(E)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
한편, 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)는, 외부의 서버(500)로 전송될 수 있으며, 서버(500)로부터 전류 지령치(i*d,i*q)를 수신할 수도 있다. 그리고, 통신부(130)로부터 수신되는 전류 지령치에 기초하여, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력할 수도 있다.
이에 따라, 서버(500)에서 실시간으로 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치에 기초하여 모터(250)를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200) 내의 통신부(130)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 관한 전압 정보를 서버(500)로 전송할 수 있다. 이에 따라, 다양한 조건 하의 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)의 상세한 동작에 대해서는, 도 3을 참조하여 기술한다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)를 구동하기 위한 구동장치로서, 복수의 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다, 또한, 인버터 제어부(430)에 각종 저장된 데이터를 제공하는 메모리(270)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B), 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 모터(250)는, 인버터(420)에 의해 구동되는 3상 모터일 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 실시간으로 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)를 연산하고, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B)를 더 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420), 인버터 제어부(430), 출력전류 검출부(E), dc단 전압 검출부(Vdc), 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
한편, 모터 구동장치(200)는, 전력을 변환하여, 모터를 구동하므로, 전력변화장치라 명명할 수도 있다.
dc단 커패시터(C)는, dc단(a-b단)에 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C)에 공급되는 입력 전원은, 배터리(205)에 저장된 전원 또는 컨버터(미도시)에서 레벨 변환된 전원일 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며, 각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함한다.
구체적으로, 인버터(420)는, 제1 레그에 배치되는 제1 스위칭 소자(S1), 제2 레그에 배치되는 제2 스위칭 소자(S2), 제3 레그에 배치되는 제3 스위칭 소자(S3), 제1 스위칭 소자(S1)의 일단(n14)에 일단이 접속되는 제4 스위칭 소자(S4), 제2 스위칭 소자(S2)의 일단(n25)에 일단이 접속되는 제5 스위칭 소자(S5), 제3 스위칭 소자(S3)의 일단(n36)에 일단이 접속되는 제6 스위칭 소자(S6), 제4 스위칭 소자(S4)의 타단에 접속되는 제7 스위칭 소자(S7), 제5 스위칭 소자(S5)의 타단에 접속되는 제8 스위칭 소자(S8), 제6 스위칭 소자(S6)의 타단에 접속되는 제9 스위칭 소자(S9)를 포함할 수 있다.
제1 레그에는, 제1 스위칭 소자(S1), 제4 스위칭 소자(S4), 제7 스위칭 소자(S7)가 배치되며, 제2 레그에는 제2 스위칭 소자(S2), 제5 스위칭 소자(S5), 제8 스위칭 소자(S8)가 배치되며, 제3 레그에는 제3 스위칭 소자(S3), 제6 스위칭 소자(S6), 제9 스위칭 소자(S9)가 배치될 수 있다.
한편, 인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(S1~S9)를 구비하고, 스위칭 소자(S1~S9)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 6상 교류 전원(Va,Vb,Vc,Vd,Ve,Vf)으로 변환하여, 6상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 6상 교류 전원이 6상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)의 각 게이트 단자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 게이트 구동 신호라 명명할 수도 있다.
한편, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 6상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic,id,ie,if)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 6상 평형을 이용하여 일부 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 6상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a, b, c, d, e, f 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명에서는 모터(250)가, 6상 모터이며, 특히, 현재 중첩 가변 플럭스 릴럭턴스 모터(Current superimposition variable flux reluctance motor; CSVFM)를 중심으로 기술한다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 5의 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(320)로부터, 검출되는 출력 전류(io)를 입력받고, 위치 검출 센서(105)로부터 모터(250)의 회전자 위치 정보(θ)를 수신할 수 있다.
위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다.
도 5를 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 속도 연산부(320), 축변환부(310), 토크 연산부(325), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic,id,ie,if)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치()를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치()에 기초하여, 연산된 속도()를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 토크 연산부(325)는, 연산된 속도()에 기초하여, 현재의 토크(T)를 연산할 수 있다
인버터 제어부(430) 내의 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i*d,i*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i*q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(V*q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i*d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(V*d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(V*d)의 값은, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치()와, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치()가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 6상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 6상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c,V*d,V*e,V*f)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 6상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c,V*d,V*e,V*f)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(S1~S9)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 6은 본 발명과 관련된 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명과 관련된 모터 구동장치(200x)는, 12개의 스위칭 소자를 구비하는 인버터(420x)와, 6상 모터(2500를 구비할 수 있다.
인버터(420x)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(Sa~Sf,S'a~S'f)를 구비하고, 스위칭 소자(Sa~Sf,S'a~S'f)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 6상 교류 전원(Va,Vb,Vc,Vd,Ve,Vf)으로 변환하여, 6상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420x)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc,Sd,Se,Sf) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c,S'd,S'e,S'f)가 한 쌍이 되며, 총 6 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c,Sd&S'd,Se&S'e,Sf&S'f)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c,Sd,S'd,Se,S'e,Sf,S'f)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
제1 상암 스위칭 소자(Sa)와 제1 하암 스위칭 소자(S'a)의 사이인 노드(na)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, a 상 권선인 제1 권선(La)이 감기고, 제2 상암 스위칭 소자(Sb)와 제2 하암 스위칭 소자(S'b)의 사이인 노드(nb)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, b 상 권선인 제2 권선(Lb)이 감기고, 제3 상암 스위칭 소자(Sc)와 제3 하암 스위칭 소자(S'c)의 사이인 노드(nc)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, c 상 권선인 제3 권선(Lc)이 감기고, 제4 상암 스위칭 소자(Sd)와 제4 하암 스위칭 소자(S'd)의 사이인 노드(nd)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, d 상 권선인 제4 권선(Ld)이 감기고, 제5 상암 스위칭 소자(Se)와 제5 하암 스위칭 소자(S'e)의 사이인 노드(ne)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, e 상 권선인 제5 권선(Le)이 감기고, 제6 상암 스위칭 소자(Sf)와 제6 하암 스위칭 소자(S'f)의 사이인 노드(nf)와 모터(250)의 중섬점(nn) 사이에, f 상 권선인 제6 권선(Lf)이 감긴다.
이러한 인버터(420x)에 의하면, 12개의 스위칭 소자가 필요하며, 12개의 스위칭 소자의 스위칭을 위해, 64개의 스위칭 패턴이 필요하게 된다. 따라서, 인버터(420x)의 크기가 증가되며, 인버터(420x)의 스위칭 패턴이 상당하다는 단점이 있다.
이를 위해, 본 발명에서는, 6상 모터(250)를 효율적으로 구동할 수 있는 인버터(420)를 제안한다. 이에 대해서는 도 7 이하를 참조하여 기술한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)와, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)를 포함하고, 모터(250)는, 6상 모터(250)를 포함하고, 인버터(420)는, 서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며, 각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함한다.
도 7의 인버터(420)는, 9개의 스위칭 소자를 포함하므로, 도 6의 인버터(420x)와 비교하면, 스위칭 개수가 적어지며, 결국, 인버터(420)의 크기를 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 7의 인버터(420)의 스위칭 패턴은, 9개의 스위칭 소자에 대해, 27개의 스위칭 패턴을 가지나, 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 패턴은, 12개의 스위칭 소자에 대해, 64개의 스위칭 패턴을 가지게 된다. 결국, 도 7의 인버터(420)에 따르면, 스위칭 패턴의 저감 및 스위칭 횟수의 저감을 도모할 수 있게 된다.
한편, 인버터(420)는, 제1 레그에 배치되는 제1 스위칭 소자(S1), 제2 레그에 배치되는 제2 스위칭 소자(S2), 제3 레그에 배치되는 제3 스위칭 소자(S3), 제1 스위칭 소자(S1)의 일단(n14)에 일단이 접속되는 제4 스위칭 소자(S4), 제2 스위칭 소자(S2)의 일단(n25)에 일단이 접속되는 제5 스위칭 소자(S5), 제3 스위칭 소자(S3)의 일단(n36)에 일단이 접속되는 제6 스위칭 소자(S6), 제4 스위칭 소자(S4)의 타단에 접속되는 제7 스위칭 소자(S7), 제5 스위칭 소자(S5)의 타단에 접속되는 제8 스위칭 소자(S8), 제6 스위칭 소자(S6)의 타단에 접속되는 제9 스위칭 소자(S9)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4) 사이의 제1 노드(n14)와, 제2 스위칭 소자(S2)와 제5 스위칭 소자(S5) 사이의 제2 노드(n25)와, 제3 스위칭 소자(S3)와 제6 스위칭 소자(S6) 사이의 제3 노드(n36)는, 모터(250)의 제1 단자에 접속되며, 제4 스위칭 소자(S4)와 제7 스위칭 소자(S7) 사이의 제4 노드(n47)와, 제5 스위칭 소자(S5)와 제8 스위칭 소자(S8) 사이의 제5 노드(n58)와, 제6 스위칭 소자(S6)와 제9 스위칭 소자(S9) 사이의 제6 노드(n69)는, 모터(250)의 제2 단자에 접속될 수 있다. 이에 따라, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
한편, 모터(250)는, 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4) 사이의 제1 노드(n14)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제1 권선(La)과, 제2 스위칭 소자(S2)와 제5 스위칭 소자(S5) 사이의 제2 노드(n25)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제2 권선(Lb)과, 제3 스위칭 소자(S3)와 제6 스위칭 소자(S6) 사이의 제3 노드(n36)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제3 권선(Lc)과, 제4 스위칭 소자(S4)와 제7 스위칭 소자(S7) 사이의 제4 노드(n47)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제4 권선(Ld)과, 제5 스위칭 소자(S5)와 제8 스위칭 소자(S8) 사이의 제5 노드(n58)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제5 권선(Le)과, 제6 스위칭 소자(S6)와 제9 스위칭 소자(S9) 사이의 제6 노드(n69)와, 모터(250)의 중성점(nn) 사이에, 감기는 제6 권선(Lf)을 포함할 수 있다.
제1 권선(La)은, a 상 권선으로서, a 상 전압(Va)이 인가될 수 있으며, 제2 권선(Lb)은, b 상 권선으로서, b 상 전압(Vb)이 인가될 수 있으며, 제3 권선(Lc)은, c 상 권선으로서, c 상 전압(Vc)이 인가될 수 있으며, 제4 권선(Ld)은, d 상 권선으로서, d 상 전압(Vd)이 인가될 수 있으며, 제5 권선(Le)은, e 상 권선으로서, e 상 전압(Ve)이 인가될 수 있으며, 제6 권선(Lf)은, f 상 권선으로서, f 상 전압(Vf)이 인가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 더 포함할 수 있으며, 인버터 제어부(430)는, 각 상 권선(La~Lf)에, 각 상 전압(Va~Vf)을 인가하도록 인버터(420)를 제어할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 9개의 스위칭 소자(S1~S9)의 제어를 위한, 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(430)의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
도 8 내지 도 11c는 도 6 또는 도 7의 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 8은 모터(250)에 인가되는 a 상 전압 파형(Va)과 d 상 전압 파형(Vd)을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar1 시점에, 모터(250)에 인가되는 a 상 전압(Va)은 로우 레벨이고, d 상 전압(Vd)은 로우 레벨이며, Ar2 시점에, 모터(250)에 인가되는 a 상 전압(Va)은 하이 레벨이고, d 상 전압(Vd)은 로우 레벨이며, Ar3 시점에, 모터(250)에 인가되는 a 상 전압(Va)은 하이 레벨이고, d 상 전압(Vd)은 하이 레벨이다.
도 9a는, Ar1 시점에 대응하는 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar1 시점에, 인버터(420x)의 제1 상암 스위칭 소자(Sa)는 오프, 제1 하암 스위칭 소자(S'a)는 온, 제4 상암 스위칭 소자(Sd)는 오프, 제4 하암 스위칭 소자(S'd)는 온 된다.
이에 따라, 로우 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
도 9b는, Ar2 시점에 대응하는 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar2 시점에, 인버터(420x)의 제1 상암 스위칭 소자(Sa)는 온, 제1 하암 스위칭 소자(S'a)는 오프, 제4 상암 스위칭 소자(Sd)는 오프, 제4 하암 스위칭 소자(S'd)는 온 된다.
이에 따라, 하이 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
도 9c는, Ar3 시점에 대응하는 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar3 시점에, 인버터(420x)의 제1 상암 스위칭 소자(Sa)는 온, 제1 하암 스위칭 소자(S'a)는 오프, 제4 상암 스위칭 소자(Sd)는 온, 제4 하암 스위칭 소자(S'd)는 오프 된다.
이에 따라, 하이 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
도 10a는, Ar1 시점에 대응하는 도 7의 인버터(420)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar1 시점에, 제1 레그의 제1 스위칭 소자(S1)는 오프, 제4 스위칭 소자(S4)는 온, 제7 스위칭 소자(S7)는 온 된다.
이에 따라, 로우 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
한편, 도 9a와 비교하여, 제1 레그의 스위칭 소자들만 턴 온, 오프되게 된다. 이에 따라, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
도 10b는, Ar2 시점에 대응하는 도 7의 인버터(420)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar2 시점에, 인버터(420)의 제1 레그의 제1 스위칭 소자(S1)는 온, 제4 스위칭 소자(S4)는 오프, 제7 스위칭 소자(S7)는 온 된다.
이에 따라, 하이 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
한편, 도 9b와 비교하여, 제1 레그의 스위칭 소자들만 턴 온, 오프되게 된다. 이에 따라, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
도 10c는, Ar3 시점에 대응하는 도 7의 인버터(420)의 스위칭 동작을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, Ar3 시점에, 인버터(420)의 제1 레그의 제1 스위칭 소자(S1)는 온, 제4 스위칭 소자(S4)는 온, 제7 스위칭 소자(S7)는 오프 된다.
이에 따라, 하이 레벨의 a 상 전압(Va)과 로우 레벨의 d 상 전압(Vd)이, 모터(250)에 인가된다.
한편, 도 9c와 비교하여, 제1 레그의 스위칭 소자들만 턴 온, 오프되게 된다. 이에 따라, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
도 11a는 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 패턴을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 6의 인버터(420x)의 스위칭 패턴은, 64개로 예시된다.
도 11b는 도 7의 인버터(420)의 스위칭 패턴을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 7의 인버터(420)의 스위칭 패턴은, 27로 예시된다.
도 11a와 도 11b를 비교하면, 도 7의 인버터(420)는, 하나의 레그에 3개의 스위칭 소자들을 배치하고, 총 3개의 레그를 구비함으로써, 도 6의 인버터(420x)의 하나의 레그에 2개의 스위칭 소자들을 배치하고, 총 6개의 레그를 배치하는 것에 비해, 인버터(420)의 크기 및 인버터(420)의 스위칭 횟수를 저감할 수 있게 된다.
도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 입력 교류 전압(Vacr)과, 직류 오프셋(DCoffset)과, 기준 전압 파형(vref)에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기(1014)와 제2 비교기(1016)와, 제1 비교기(1014)로부터의 제1 비교 신호와, 제2 비교기(1016)로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기(1022)와, 논리 연산기(1022)로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기(1024)와, 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기(1026)를 포함할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(43)는, 삼상의 입력 교류 전압(Vacr)과, 직류 오프셋(DCoffset)을 가산하는 가산기(1011)와, 삼상의 입력 교류 전압(Vacr)에서 직류 오프셋(DCoffset)을 차감하는 감산기(1012)를 더 구비할 수 있다.
제1 비교기(1014)는, 가산기(1011)의 출력과, 톱니 파형인 기준 전압 파형(vref)을 비교하고, 제1 비교 신호(a)를 출력한다.
제2 비교기(1016)는, 감산기(1012)의 출력과, 톱니 파형인 기준 전압 파형(vref)을 비교하고, 제2 비교 신호(d)를 출력한다.
논리 연산기(1022)는, 제1 비교 신호(a)와 제2 비교 신호(d)를 입력받으며, 제1 비교 신호(a)와 제2 비교 신호(d)가 동일한 레벨이면, 로우 레벨(예를 들어, 0)을 출력하고, 다른 레벨이면, 하이 레벨(예를 들어, 1)을 출력할 수 있다.
그리고, 제1 반전기(1024)는, 논리 연산기(1022)로부터의 출력 신호를 반전시킬 수 있다.
한편, 제2 반전기(1026)는, 제2 비교 신호(d)를 반전시킬 수 있다.
이에 따라, 제1 비교 신호(a)는, 인버터(420) 내의, 제1 스위칭 소자(S1) 또는 제2 스위칭 소자(S2) 또는 제3 스위칭 소자(S3)로 출력되며, 제1 반전기(1024)로부터의 출력 신호는, 제4 스위칭 소자(S4) 또는 제5 스위칭 소자(S5) 또는 제6 스위칭 소자(S6)로 출력되며, 제2 반전기(1026)로부터의 출력 신호는, 제7 스위칭 소자(S7) 또는 제8 스위칭 소자(S8) 또는 제9 스위칭 소자(S9)로 출력될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 3상의 입력 전압을 6상의 전압으로 변환하는 6상 전압 변환기(1010)와, 6상의 전압에 기초하여 9 상의 스위칭 제어 신호를 출력하는 9상 스위칭 신호 출력부(1020)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(430)의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 6상 전압 변환기(1010)는, 3상의 입력 전압과, 직류 오프셋(DCoffset)과, 기준 전압 파형(vref)에 기초하여, 제1 비교 신호(a)와 제2 비교 신호(d)를 각각 출력하는 제1 비교기(1014)와 제2 비교기(1016)를 포함하며, 9상 스위칭 신호 출력부(1020)는, 제1 비교기(1014)로부터의 제1 비교 신호(a)와, 제2 비교기(1016)로부터의 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기(1022)와, 논리 연산기(1022)로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기(1024)와, 제2 비교 신호(d)를 반전시키는 제2 반전기(1026)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(430)의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 9상 스위칭 신호 출력부(1020)는, 제1 비교 신호(a)를, 제1 스위칭 소자(S1) 또는 제2 스위칭 소자(S2) 또는 제3 스위칭 소자(S3)에 출력하며, 제1 반전기(1024)로부터의 출력 신호를 제4 스위칭 소자(S4) 또는 제5 스위칭 소자(S5) 또는 제6 스위칭 소자(S6)에 출력하며, 제2 반전기(1026)로부터의 출력 신호를 제7 스위칭 소자(S7) 또는 제8 스위칭 소자(S8) 또는 제9 스위칭 소자(S9)에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(430)의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 도 11b의 27개의 패턴 신호에 기초하여, 인버터(420)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 인버터 제어부(430)의 신호 처리 부담을 경감할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
본 발명은 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 적용 가능하며, 특히, 인버터의 크기 및 인버터의 스위칭 횟수를 저감할 수 있는 모터 구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 적용 가능하다.

Claims (14)

  1. 모터;
    상기 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;를 포함하고,
    상기 모터는, 6상 모터를 포함하고,
    상기 인버터는,
    서로 병렬 접속되는 3개의 레그를 포함하며,
    각 레그는, 직렬 접속되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는,
    제1 레그에 배치되는 제1 스위칭 소자, 제2 레그에 배치되는 제2 스위칭 소자, 제3 레그에 배치되는 제3 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제4 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제5 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자의 일단에 일단이 접속되는 제6 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제7 스위칭 소자, 제5 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제8 스위칭 소자, 제6 스위칭 소자의 타단에 접속되는 제9 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드는, 상기 모터의 제1 단자에 접속되며,
    상기 제4 스위칭 소자와 상기 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 상기 제6 스위칭 소자와 상기 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드는, 상기 모터의 제2 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 모터는,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자 사이의 제1 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제1 권선;
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제5 스위칭 소자 사이의 제2 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제2 권선;
    상기 제3 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자 사이의 제3 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제3 권선;
    상기 제4 스위칭 소자와 상기 제7 스위칭 소자 사이의 제4 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제4 권선;
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자 사이의 제5 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제5 권선;
    상기 제6 스위칭 소자와 상기 제9 스위칭 소자 사이의 제6 노드와, 상기 모터의 중성점 사이에, 감기는 제6 권선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레그의 상기 제1 스위칭 소자는 오프, 상기 제4 스위칭 소자는 온, 상기 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 상기 제1 권선의 제1 상전압은 로우 레벨이고, 상기 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨인 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레그의 상기 제1 스위칭 소자는 온, 상기 제4 스위칭 소자는 오프, 상기 제7 스위칭 소자는 온인 경우, 상기 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 상기 제4 권선의 제4 상전압은 로우 레벨인 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레그의 상기 제1 스위칭 소자는 온, 상기 제4 스위칭 소자는 온, 상기 제7 스위칭 소자는 오프인 경우, 상기 제1 권선의 제1 상전압은 하이 레벨이고, 상기 제4 권선의 제4 상전압은 하이 레벨인 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    입력 교류 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기;
    상기 제1 비교기로부터의 상기 제1 비교 신호와, 상기 제2 비교기로부터의 상기 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기;
    상기 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기;
    상기 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 비교 신호를, 상기 제1 스위칭 소자에 출력하며,
    상기 제1 반전기로부터의 출력 신호를 상기 제4 스위칭 소자에 출력하며,
    상기 제2 반전기로부터의 출력 신호를 상기 제7 스위칭 소자에 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    3상의 입력 전압을 6상의 전압으로 변환하는 6상 전압 변환기;
    상기 6상의 전압에 기초하여 9 상의 스위칭 제어 신호를 출력하는 9상 스위칭 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 6상 전압 변환기는,
    상기 3상의 입력 전압과, 직류 오프셋과, 기준 전압 파형에 기초하여, 제1 비교 신호와 제2 비교 신호를 각각 출력하는 제1 비교기와 제2 비교기를 포함하며,
    상기 9상 스위칭 신호 출력부는,
    상기 제1 비교기로부터의 상기 제1 비교 신호와, 상기 제2 비교기로부터의 상기 제2 비교신호에 기초하여 익스클루시브 오아(exclusive OR) 연산을 수행하는 논리 연산기;
    상기 논리 연산기로부터의 출력 신호를 반전시키는 제1 반전기;
    상기 제2 비교 신호를 반전시키는 제2 반전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 9상 스위칭 신호 출력부는,
    상기 제1 비교 신호를, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자에 출력하며,
    상기 제1 반전기로부터의 출력 신호를 상기 제4 스위칭 소자 또는 상기 제5 스위칭 소자 또는 상기 제6 스위칭 소자에 출력하며,
    상기 제2 반전기로부터의 출력 신호를 상기 제7 스위칭 소자 또는 상기 제8 스위칭 소자 또는 상기 제9 스위칭 소자에 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    27개의 패턴 신호에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 모터 구동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
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